研究与设计ｌ Ｅ聃ｃＡ 迫札与控制应用２０１５，４２（７） 直驱永磁无刷直流轮毂电机参数计算和结构设计水 翁茂荣 ， 李 强 ， 曹淼龙 （１．浙江工贸职业技术学院汽车与机械工程学院，浙江温州 ３２５００３； ２．浙江科技学院机械与汽车工程学院，浙江杭州３１００２３） 摘要：以某款城市微型电动汽车的轮毂电机为研究对象，通过原型样车设计要求计算出永磁无刷直流 轮毂电机所需的额定功率、最高转速、额定转矩等主要性能参数。设计的直接驱动的永磁无刷轮毂电机采用 悬臂支撑结构，装有电流传感器和温度传感器的电机右侧板和转子支架配合采用唇形密封圈，以保证内部的 密封性，对转子支架、支撑轴等核心部件进行约束受力分析、三维建模和强度校核。样机试验表明该轮毂电机 的外特性曲线能够满足城市微型电动汽车的使用要求。这对该款结构的轮毂电机产业化过程有一定的借鉴 和指导意义。 关键词：电动汽车；直接驱动；永磁无刷直流轮毂电机；结构设计 中图分类号：ＴＭ ３５１文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３－６５４０（２０１５）０７－００１２－０４ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ Ｗｈｅｅｌ Ｈｕｂ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｍｏｔｏｒ ｏｆ Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｒｉｖｅ Ｍｅｔｈｏｄ ＷＥＮＧ Ｍａｏｒｏｎｇ ，ＬＩ Ｑｉａｎｇ ， ＣＡＯ Ｍｉａｏｌｏｎｇ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ａｎｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ ａｎｄ Ｔｒａｄｅ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｗｅｎｚｈｏｕ ３２５００３，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３ １００２３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ Ｔａｋｉｎｇ ｃｉｔｙ ｍｉｃｒｏ ｅｌｅｃｔｉｒｃ ｖｅｈｉｃｌｅ ｗｉｔｈ ｔｗｏ ｗｈｅｅｌｓ ｏｆ ｈｕｂ ｍｏｔｏｒ ａｓ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｂｊｅｃｔ，ｔｈｅ ｍａｉｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ＤＣ ｈｕｂ ｍｏｔｏｒ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｄｅｓｉｇｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｖｅｈｉｃｌｅ，ｓｕｃｈ ａｓ ｒａｔｅｄ ｐｏｗｅｒ，ｍ￣ｉｍｕｍ ｓｐｅｅｄ，ｒａｔｅｄ ｔｏｒｑｕｅ．Ｔｈｅ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｓｈａｆｔ ｏｆ ｗｈｅｅｌ ｈｕｂ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ｍｏｔｏｒ ｏｆ ｄｉｒｅｃｔ ｄｒｉｖｅ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ｓｔａｎｄｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ａ ｒｉｇｈｔ ｓｉｄｅ ｐｌａｔｅ ｅｑｕｉｐｐｅｄ ｗｉｔｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ ａｎｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｅｎｓｏｒ ａｎｄ ｒｏｔｏｒ ｍａｔｃｈｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｕｐｐｏｒｔ ｂｙ ｔｈｅ ｌｉｐ ｓｅａｌ ｗｅｒｅ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｓｅａｌｉｎｇ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｉｃ ｍａｃｈｉｒｎｅ．Ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｗｅｒｅ ｔａｋｅｎ ｉｎｔｏ ａｃｃｏｕｎｔ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ ｆｏｒｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ，３Ｄ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｃｈｅｃｋ，ｌｉｋｅ ｒｏｔｏｒ ｂｒａｃｋｅｔ ａｎｄ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｓｈａｆｔ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｔｈｅ ｗｈｅｅ１ ｈｕｂ ｍｏｔｏｒ ｃｏｕｌｄ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｕｓｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｃｉｔｙ ｍｉｃｒｏ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ．Ｉｔ ｗａｓ ｈｅｌｐｆｕｌ ｆｏｒ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ ｇｕｉｄａｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｗｈｅｅｌ ｈｕｂ ｍｏｔｏｒ ｉｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ・ Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ；ｄｉｒｅｃｔ ｄｒｉｖｅ；ｗｈｅｅｌ ｈｕｂ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｂｒｕｓｈｉｅｓｓ ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｍｏｔｏｒ； ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏ引言 电动汽车摆脱对石油等不可再生资源的依 赖，同时尽可能减小对环境的污染。随着其各项 慧 誊 浪 轮毂电机作为车轮直接驱动汽车 引，无须发 动机、换挡变速和传动轴等部件，简化了传动系统 基金项目：浙江自然科学基金项目（ＬＹ１３Ｅ０５０１１２）；浙江省科技厅公益技术研究项目（２０１３Ｃ３２０９９） 通讯作者：翁茂荣 一ｌ２一 迫】６乙再控制应用２０１５，４２（７） 和底盘结构，提高传动效率，是汽车底盘传动方式 的更替；同时能独立控制电动轮的驱动力，响应速 度快，容易测得准确的转速、转矩值，有效精简底 盘电子控制系统架构 引。为满足浙江省某企业 生产的电动汽车尤其在低速行驶过程中需要较大 扭矩以便于起步和加速的性能要求，设计了一种 高效的分数槽绕组定子和瓦片式转子的三相永磁 无刷直流电机。 本文以某款城市微型电动汽车的轮毂电机为 研究对象，围绕低速行驶动力性目标，根据其整车 参数，计算出永磁无刷直流轮毂电机的额定功率， 并进行定子及绕组和转子的设计。通过对直接驱 动式轮毂电机建模和其主要部件强度校核，试制 出样机后再进行部分性能试验，验证该款轮毂电 机符合城市微型电动轿车的驱动需求。 １ 轮毂电机参数计算 假设不考虑电机摩擦、热损失等因素，轮毂电 机的功率全部消耗于电动汽车的阻力 Ｊ。功率 平衡方程如下： Ｐ ： 叼Ｔ （Ｐｆ＋Ｐｗ）： Ｔ（＼３ ６００＋丝’ ７６ １４０）， （１） 式中：Ｐ ——轮毂电机的额定功率； Ｐ ——克服滚动阻力所需功率； Ｐ ——克服空气阻力所需功率； 叼 ——传动系统机械效率。 电动汽车的最高车速由电动机的最高转速决 定。计算式如下： ＝０．３７７ｎ ｒ （２） 式中：＂ｌＡｍａｘ——最高车速； ／／，——ｍａｘ最高转速； ｒ——车轮半径。 电动汽车的最大功率： Ｐ。 ：ＡＰ （３） 式中：Ａ——电动机的过载系数，一般为２～３。 城市微型电动汽车整车质量为１ ０００ ｋｇ，迎 风面积为１．８ ｍ ，车轮半径０．２７５ ｉｎ，最高车速以 ｉ００ ｋｍ／ｈ计，城市内交通道路上限速一般为６０～ ７０ ｋｎｖ＇ｈ，计算轮毂电机的最高转速９６４．５ ｒ／ｍｉｎ。 考虑过载系数和后备功率等因素，经计算轮毂电 研究与设计ｉ ＥＭＣＡ 机的额定功率为３０ ｋＷ，每个轮毂电机的额定功 率为１５ ｋＷ。电机选用永磁三相无刷直流电动 机 ，绕组为星型接法，额定电压为２２０ Ｖ，额定 转速凡 为９６０ ｒ／ｍｉｎ，额定电流为３９ Ａ，额定转矩 为７０ Ｎ・ｍ，定子铁心长度为６０ ｍｍ，每相串联 线圈为４个，每个线圈匝数为４４组。 ２ 轮毂电机结构设计 永磁无刷直流轮毂电机的轮毂选用规格为 １５５／８０Ｒ１２／７７Ｔ的ｌ２英寸玛吉斯轮胎。轮毂电 机结构如图１所示。 图１ 轮毂电机结构示意图 根据轮毂尺寸结构要求，充分利用合理的轮 毂空间，考虑汽车在路面行驶过程中会产生一定 振动，必须要求电机外壳不能与轮毂发生接触，设 计中留有一定的间隙。轮毂电机的外径为 担２０ ｍｍ，厚度为１２５ ｍｍ，电机与轮毂之间的最 小间距为１６．６ ｍｍ。 定子的５１槽４６极的分数槽上采用星型绕组 结构可消除谐波损耗，同时缩短绕组长度以减小 电阻提高效率。转子为瓦片式永磁体，在满足安 装要求和理论设计要求下气隙为０．４５ ｍｍ，漏磁 率较低，能得到较好的矩形气隙磁密方波，即能有 效减小转矩波动。由于定子较重，要求支撑件刚 度必须确保定子与转子同轴度在设计范围内，否 则将严重影响电机的正常使用。同时定子部件采 用悬臂支撑结构，在电机左侧板和外壳的接合面 处设计支撑口，用来固定电机外壳，尺寸为长 １２ ｍｍ、厚３ ｍｍ。 轮毂电机将转子与轮毂集成一体，不仅减轻 了转子质量，也降低了因车轮冲击对电机产生的 影响。转子支架和驱动半轴受力类似，为典型的 弯扭组合，既承受支撑转子的质量，还将扭矩传递 给车轮。转子支架结构及安装定位均要求对称 一１３— 迫札与控制应闭２０１５，４２（７） 轮毂电机的支撑轴用于固定电机的轴向移动 和支撑汽车、轮毂电机的质量。支撑轴的法兰盘 部分起到固定作用，所以支撑轴部分设置为固定 约束端，主轴部分沿ｚ方向支撑电机的质量和汽 车整体的质量（轮毂电机的质量约为１５ ，单根 支撑轴支撑的汽车质量为２５０ ｋｇ）。划分支撑轴 的有限元网格为四面体实体单元为主并自动划 分。支撑轴的最大应力≤５９．４ ＭＰａ，支撑轴的最 大位移量为０．１０１ ｍｍ，变形量很小，对轮毂电机 的总体工作运行影响不大，符合设计要求。 ３．３样机的性能试验 为验证该款轮毂电机设计准确性和合理性， 在直流电机试验台上进行外特性的性能测试。轮 毂电机的转矩、功率和效率与转速特性曲线分别 如图６～图８所示。 一 一、僻较披鞲 鲫 加 ∞ 如 ∞ 图６轮毂电机功率外特性曲线 样机试验表明该轮毂电机的输出转矩随转速 的增加而降低，且低速峰值转矩约为额定转矩２．７ 舳 ∞ 如 ∞ 一 ０、褂籁 世 倍，提高低速爬坡能力和起步能力的同时，电机在 车速３０～６０ ｋｍ／ｈ范围内效率较高，满足在低速 区域为恒额定转矩，中高速区域为恒额定功率的 较为理想的外特性曲线。 百 目 至 Ｚ 蛑 ｊ璺 】嚣 世 图７轮毂电机转矩外特性曲线 研究与设计８ ＥＭＣＡ ∞舳∞∞加∞∞∞加加 图８轮毂电机效率曲线 ４ 结 语 瑚啪 鲫∞∞加 通过计算直驱式永磁无刷直流轮毂电机主要 性能参数，对其内部结构进行设计及三维建模，校 核主要零部件强度要求，并对样机的外特性性能 测试试验。在实际试制生产该轮毂电机时，重点 考虑轮毂电机的散热能力，在该款轮毂电机量产 过程中要更加注重电磁噪声和机械噪声、运行稳 定性等问题。 【参考文献】 ［１］麻友良，严运兵．电动汽车概论［Ｍ］．北京：机械工 业出版社，２０１２． ［２］辜承林．轮毂电机发展思考［Ｊ］．电机技术，２００６ （５）：３ ． ［３］ 王玲珑，黄妙华．轮毂式电动汽车驱动系统发展综 述［Ｊ］．上海汽车，２００７（１）：３＿６． ［４］孙振杰，许东来，万梦．双绕组切换型轮毂电机的 结构设计及控制［Ｊ］．电机与控制应用，２０１４，４１ （４）：４０—４４． ［５］ＴＡＨＡＭＩ Ｆ，ＦＡＲＨＡＮＧＩ Ｓ，ＫＡＺＥＭＩ Ｒ．Ａ ｆｕｚｚｙ ｌｏｇｉｃ ｄｉｒｅｃｔ ｙａｗ－・ｍｏｍｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ａｌｌ－－ｗｈｅｅｌ— ｄｒｉｖｅ ｅｌｅｃｔｉｒｃ ｖｅｈｉｃｌｅｓ［Ｊ］． Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｓｙｓｔｅｍ Ｄｙｎａｍｉｃｓ，２００４，４１（３）：２０３－２２１． ［６］ 余志生．汽车理论［Ｍ］，北京：机械工业出版 社。２００９． ［７］ 谭建成．永磁无刷直流电机技术［Ｍ］，北京：机械 工业出版社，２０１１． 收稿日期：２０１５—０３—２４ —１５一